Lämpöopin käsitteistön käyttö perusopetuksessa

Lämpöopin käsitteistön käyttö perusopetuksessa

Matti Hakkarainen

Pro gradu -tutkielma Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos 1.6.2012 Ohjaaja: Jouni Viiri

Tausta ja ongelmat: Tekemäni kandidaatin tutkinto ja aikaisemmat tutkimukset osoittivat, että lämpöopissa on monia mielenkiintoisia ongelmia tuottavia aiheita, kuten käsitteiden käyttö ja niiden hankaluudet. Kyseiset havainnot innoittivat siirtymään kentälle tutkimaan opettajien puhetta ja lämpöopin käsitteiden käyttöä.

Menetelmä ja tulokset: Kahden opettajan, kokeneen (vakituinen opettaja) ja kokemattoman (harjoittelija) oppituntien videointi, kaikille tilanteisiin osallistuneille opettajille (kokenut, kokematon ja hänen ohjaajansa) jaetut kysymyslomakkeet ja kokemattoman opettajan oppilailta oppilastöistä saadut työkortit olivat analysoitavat materiaalit. Materiaaleista tutkittiin puheen yksikäsitteisyyttä, yksinkertaisuutta ja dialogista avaamista (eng. opening up) sekä auktoritatiivista sulkemista (eng. closing down) käsitteiden opettamisen yhteydessä. Tarkasteltiin myös käsitteiden käytön ajallista ja määrällistä esiintyvyyttä oppitunnilla sekä oppilaiden vastauksia oppilastöihin liittyviin kysymyksiin.

Päätelmät: Tuloksista paljastui, että vähemmän tutkittu käsitepari lämpö ja lämpöenergia olivat jokaisella opettajalla käytössä synonyymeina tai sekaantunut toisiinsa eli kyseisten käsitteiden osalta puhe ei ollut yksikäsitteistä. Aikaisemmat tutkimukset antoivat ymmärtää, että lämpö ja lämpötila ovat erittäin paljon ongelmia tuottava pari, mutta tässä tutkimuksessa ei havaittu ainoatakaan selkeää ongelmaa niiden kesken. Toinen huomattava tulos oli se, että kokenut opettaja hallitsee oppilaiden ongelmakohtien löytämisen (dialoginen avaaminen ja lähikehityksen vyöhykkeet) ja niissä ohjaamisen (auktoritatiivinen sulkeminen), kun taas kokematon opettaja löysi ongelmakohtia, mutta ohjaus niissä oli melko pinnallista tai vajaata. Kokenut opettaja puuttuu ongelmaan heti tunnilla ja kokematon sanoi tunnin jälkeen, mihin olisi voinut puuttua.

Tähän asiaan voisi kiinnittää enemmän huomiota opettajankoulutuksessa ja rohkaista opettajia puuttumaan heti (saman tunnin aikana) havaittuihin ongelmakohtiin. Merkittävä havainto oli myös se, että oppilaat eivät oppilastöiden tarkistuksessa huomioineet kokemattoman opettajan suullisesti esittämiä korjauksia oppilaiden esityksiin lainkaan, vaan he kopioivat taululta väärätkin vastaukset sellaisinaan omiin papereihinsa.

1. Johdanto ... 1

2. Lämpöopin teoriaa ... 2

2.1. Energia ... 2

2.2. Sisäenergia ... 3

2.3. Lämpö ... 4

2.4. Energian siirtyminen ... 5

2.4.1. Johtuminen ... 5

2.4.2. Kuljetus ... 5

2.4.3. Säteileminen ... 6

3. Ongelmat lämpöopin käsitteiden opetuksessa ja oppimisessa ... 7

3.1. Määritelmien vaihtelevuus ... 7

3.2. Oppilaiden vaihtoehtoiset käsitykset ... 8

3.3. Opettajien vaihtoehtoiset käsitykset... 9

3.4. Käsitteenmuodostus ... 10

3.5. Opettajan puhe opetuksessa ... 11

3.5.1. Puheen yksikäsitteisyys ... 12

3.5.2. Puheen yksinkertaisuus ... 12

3.5.3. Puheen dialoginen avaaminen ja auktoritatiivinen sulkeminen ... 13

4. Tutkimuskysymykset ... 14

5. Menetelmä ... 15

5.1. Tutkimuskohde ... 15

5.2. Materiaalit ja analyysi ... 16

5.2.1. Videot ja audiot ... 17

5.2.2. Työkortit opettajaharjoittelijan oppilailta ... 19

5.2.3. Opettajan pohdinnat kysymyslomakkeesta ... 19

5.2.4. Kokoavat taulukot... 20

6.1. Käsitteiden ajallinen ja määrällinen käyttö oppitunnilla ... 22

6.1.1. Ajallinen käsitteiden käyttö ... 22

6.1.2. Määrällinen käsitteiden käyttö ... 25

6.2. Käsitteiden käyttö opettajien puheessa ... 26

6.2.1. Opettajaharjoittelijan luokkahuonekeskustelut ... 26

6.2.2. Kokeneen opettajan luokkahuonekeskustelut ... 35

6.2.3. Yhteenveto käsitteiden käytöstä opettajan puheessa: ... 41

6.4. Oppilaiden täyttämät työkortit ja esitykset ... 43

6.5. Opettajien vastaukset kysymyslomakkeessa ... 50

7. Päätelmät... 54

7.1. Vastaukset tutkimuskysymyksiin ... 54

7.2. Tutkimuksen luotettavuus, arvo ja parannusehdotukset ... 56

Lähteet ... 58

Liitteet... 62

1. Johdanto

Tutkimusongelman hahmottuminen alkoi jo vuosia sitten kandidaatin tutkielmaa tehdessäni (Energian siirtyminen perusopetuksen oppikirjoissa), jolloin huomasin lämpökäsitteen ja sanan lämpö hankaluuden oppimateriaaleissa ja puhutussa kielessä. Pro gradu -tutkielman aloitusvaiheessa halusin päästä kentälle (yläasteelle) tarkkailemaan kyseisen, jo osittain tutun aiheen opetusta, käsitteet tarkkailun pääkohteena.

Motivaationa tutkia lämpöopin käsitteistön käyttöä perusopetuksessa ovat asiaa koskevat viimeaikaiset tutkimukset (mm. Maalampi & Merikoski, 2010; Taber, 2000; Cotignola ym., 2002).

Energian siirtyminen opetetaan ainakin Suomen peruskoulutasolla yleensä lämmön siirtymisen yhteydessä. Tämä tuo valtavasti käsitteitä oppilaille samanaikaisesti hallittaviksi (esim. lämpö, lämpöenergia, lämpötila), mekaniikasta (esim. liike-energia, vuorovaikutus, massa) ja vastaavista aihealueista. Esimerkiksi Vesa Maanselän artikkelissa Energia-käsitteen hämäryys kritisoidaan tiukasti sanan ”lämpö” sisältäviä käsitteitä, jotka ovat epäselviä ja harhaanjohtavia sekä useasti jopa väärinkäytettyjä (Maanselkä, 2010). Näihin käsitteisiin on syytä kiinnittää erityistä huomiota ja tarkkuutta jo perusopetuksessa. J. W. Warren artikkelissaan The teaching of the concept of heat kertoo jopa yliopisto-opiskelijoilla olevan ongelmia erottaa toisistaan tiettyjä aiheeseen liittyviä käsitteitä, kuten lämpöä, sisäistä energiaa, kineettistä energiaa ja lämpötilaa (Warren, 1972).

Tutkimuksessa tarkastellaan kahden opettajan puhetta käsitteiden opetuksen osalta. Kokeneen ja kokemattoman opettajan eroja ja yhtäläisyyksiä vertaillaan. Heidän oppitunneiltaan tutkitaan käsitteiden ajallista ja määrällistä käyttöä. Lisäksi analysoidaan opettajan puheen yksikäsitteisyyttä, yksinkertaisuutta ja dialogista avaamista sekä auktoritatiivista sulkemista.

Opettajaharjoittelijan tunnilla oppilaat täyttivät työkortteja tekemistään oppilastöistä.

Työkorteista ilmennyttä osaamista tutkitaan. Viimeisenä opettajille jaettiin tunnin aiheeseen liittyvät kysymyslomakkeet. Niiden päätavoitteena on selvittää ajatuksia siitä, mitä lämpö on heidän mielestään. Näiden kaikkien tarkastelujen tavoitteena on siis selvittää, miten käsitteitä opetetaan oppilaille.

2. Lämpöopin teoriaa

2.1. Energia

Tieteen ja koko maailmankaikkeuden kuvaamisen kannalta yksi perustavimmista käsitteistä on energia. Sitä käytetään tutkittaessa ja selitettäessä kaiken alkua, kehitystä ja loppua: Kuinka maailmankaikkeus sai alkunsa ja miltä sen kehityksenkaari näyttää? Miten tähdet syntyvät ja tuhoutuvat? Mikä sai elämän kehittymään maapallolla? Miksi ihminen, eläin tai kasvi syntyy, kasvaa ja kuolee? Miltä maan, luonnon, ihmisten ja eläinkunnan tulevaisuus näyttää? Tuhoutuuko tai häviääkö kaikki joskus? Jollain tapaa kaikkien tämänlaatuisten kysymysten takana piilee energian käsite.

Nobel-palkittu fyysikko, Richard Feynman, kuvaa energiaa seuraavasti: “There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law; it is exact, so far we know. The law is called conservation of energy. It states that there is a certain quantity, which we call energy, that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.” (Feynman, 1964)

Feynman kuvaa energiaa ja sen säilymistä yleisellä tasolla ja selvittää energian pysyvän vakiona, tapahtui mitä tahansa. Lopussa hän selkeyttää asian vielä yleisen tason esimerkillä. Merkittävää on, että hän mainitsee kyseisen asian olevan poikkeukseton ja eksakti nykyisillä tiedoilla. Kuvaus energiasta on hieno esimerkki fyysikon vaikuttavasta puheesta, joka kuulostaa varmalta ja kuitenkin ottaa huomioon sen, että mikään ei ole kiveen kirjoitettua, vaikka asia näyttäisikin nykytiedon perusteella varmalta.

Tutkielman aiherajauksen vuoksi keskitytään energian siirtymiseen liittyviin käsitteisiin ja jätetään energian muodosta toiseen muuntumiset vähäiselle tarkastelulle. Esimerkiksi, kun ihminen nostaa esineen maasta ilmaan, lihasten kemiallista energiaa muuttuu kehon ja esineen liike-energiaksi ja

lopulta esineen potentiaalienergiaksi ja lihasten lämpenemiseen. Tällaiset fysiikan kannalta mielenkiintoiset tapahtumat liittyvät suurimmaksi osaksi energian muuntumiseen muodosta toiseen, kun taas esimerkiksi Auringon säteilemä sähkömagneettinen säteily avaruuden eri paikkoihin on energian siirtymistä. Joka tapauksessa energiaa ei häviä eikä synny, vaan se muuntaa muotoa tai siirtyy paikasta toiseen.

2.2. Sisäenergia

Sisäenergia (internal energy) on yksi tärkeimmistä käsitteistä termodynamiikassa. Aine koostuu atomeista ja molekyyleistä ja nämä puolestaan osasista, joilla on kineettistä energiaa ja potentiaalienergiaa. Sisäenergian voi määritellä systeemissä olevien osasten liike-energioiden ja potentiaalienergioiden summaksi. Systeemin ja ympäristön väliset vuorovaikutukset eivät sisälly systeemin sisäenergiaan (esim. gravitaatiosta aiheutuva potentiaali). Sisäenergian muutos riippuu ainoastaan systeemin ja ympäristön välisestä energian/lämmön siirrosta ja systeemin tekemästä tai systeemiin tehdystä työstä, eli

jossa on sisäenergian muutos, on lämpö ja on työ. Yhtälön (1) mukaan, kun Q on positiivinen, niin energiaa siirtyy systeemiin lämpönä ja kun W on positiivinen, niin systeemi tekee työtä ympäristöön ja energiaa siirtyy pois systeemistä. Yhtälö (1) on matemaattinen muotoilu energian säilymislaille, ja sitä kutsutaan termodynamiikan ensimmäiseksi pääsäännöksi. (Young &

Freedman, 2004, s. 729-731.)

Sisäenergia tarkoittaa siis kaikkea systeemin sisältämää energiaa. Esimerkiksi sähköisten ja magneettisten kenttien energiat ja massaan sekä kemiallisiin sidoksiin liittyvät energiat kuuluvat sisäenergiaan. Kaikki mahdollinen energia ja energiamuodot systeemissä kuuluvat sisäenergiaan.

2.3. Lämpö

Käsitteenä lämpö (heat) on tunnetusti hankala ja sekaannuksia aiheuttava. Varsinkaan suomen kielessä ei ole selvästi määritelty, mitkä sanonnat tarkoittavat mitäkin sanan lämpö yhteydessä.

Seuraavat käsitteet ovat usein epäselvästi esitetty tai niistä puhutaan huolettomasti: lämpö, lämpötila, lämpöenergia, lämmön siirtyminen, energian siirtyminen ja lämpövirta.

Prosessia, jossa energiaa siirtyy kappaleesta tai systeemistä toiseen lämpötilaeron vuoksi, kutsutaan lämmöksi (Young, & Freedman, 2004, s. 653). Lämpöä ei siis pidä sekoittaa systeemin tai kappaleen sisältämään energiaan, vaan lämpö on aina nimitys tapahtumalle tai prosessille, jossa systeemien välillä siirtyy energiaa lämpötilaeron seurauksena. Lämpömäärä (tunnus on Q ja yksikkö on joule) kertoo prosessissa siirtyvän energian määrän. Useasti suureelle lämpömäärä käytetään sanaa lämpö, mikä saattaa tuottaa virhekäsityksiä. Monissa oppimateriaaleissa (Elo, 1997) sanotaan, että lämpö on aineen rakenneosasten liikettä. Tästä voisi saada sellaisen kuvan, että lämpö on esimerkiksi kappaleen sisäistä energiaa, mikä on harhaanjohtava ilmaus. Systeemi siis ei sisällä lämpöä.

Lämmön ja työn välisen analogian kautta voidaan havainnollistaa asiaa. Kun prosessi, jossa lämmön siirtymistä tapahtuu, on loppunut, niin ei voida enää puhua systeemissä olevasta lämmöstä. Vastaavasti prosessin, jossa tehdään työtä systeemiin, loputtua ei voida puhua, että systeemi sisältää työtä. (Zemansky, 1997, s. 80) Sisäenergian muutoksen -kaava (1) havainnollistaa sitä, että lämpö ja työ liittyvät muutokseen. Kun sisäenergia ei muutu, niin lämpö ja työ ovat nollia (tai erikoistapaus: ne ovat yhtäsuuret).

Lämpöenergia tai terminen energia ja systeemin sisäinen energia tarkoittavat yleensä samaa asiaa.

Sisäinen energia voi siis (mm. lämpötilaeron vuoksi) siirtyvänä energiana virrata systeemistä toiseen. Systeemien välillä tapahtuvaa energian siirtymistä voidaan kutsua lämpövirraksi (Young, &

Freedman, 2004, s. 664). Lämpövirran suunta on aina kuumemmasta systeemistä kylmempään (energian huononeminen lämpöopin toisen pääsäännön mukaan).

2.4. Energian siirtyminen

Energiaa ei synny eikä häviä, vaan se voi vain muuttua muodosta toiseen tai siirtyä. Systeemistä toiseen energia voi siirtyä kolmella eri tavalla: johtumalla, kuljettumalla ja säteilemällä (Young, &

Freedman, 2004, s. 663). Seuraavaksi käsitellään jokaista energian siirtymistapaa erikseen.

2.4.1. Johtuminen

Mikrotasolla johtumista voitaisiin kutsua ”tönimiseksi”. Atomit ja molekyylit eli aineen rakenneosaset ovat pienessä liikkeessä, eli niillä on liike-energiaa. Tasapainossa olevassa kappaleessa tai systeemissä liike-energiaa on keskimäärin yhtä paljon kaikilla rakenneosasilla. Kun kappaleessa on epätasapaino, joillakin rakenneosasilla on enemmän liike-energiaa kuin muilla, joten ne ”tönivät” muita rakenneosasia, kunnes kaikilla on taas keskimäärin yhtä paljon liike- energiaa eli tasapaino on saavutettu. Hyvä käytännön esimerkki on metallinen hiilihanko, jota pidetään tulessa. Tulessa olevaan päähän siirtyy energiaa, eli rakenneosaset ”villiintyvät”, ja lopulta osa energiasta saavuttaa rakenneosasten ”tönimisellä” hiilihangon kädessä olevan pään, ja siitä taas energia siirtyy eli lämpö johtuu käteen, ja niin edelleen.

Lämmön johtumisessa aine ei siirry vaan vain energia siirtyy. Systeemin osasten keskimääräiset kineettiset energiat eli lämpötilat pyrkivät tasoittumaan. Luonnollisesti energia siirtyy kuumemmasta kylmempään. (Young & Freedman, 2004. s. 663-664)

2.4.2. Kuljetus

Lämmön kuljetuksella (tai kulkeutumisella) eli konvektiolla tarkoitetaan energian siirtymistä yleensä nesteen tai kaasun mukana. Hyvä esimerkki on merivirrat, kuten Golfvirta, joka kuljettaa suuria määriä energiaa mukanaan. Samoin esimerkiksi sääkartoista nähtävät ilmavirrat kuljettavat mukanaan energiaa. Vielä tutumpia esimerkkejä lämmön kulkeutumisesta ovat kotien

lämmitysjärjestelmät, kuten vesikeskuslämmityksen kaukolämpöverkkoon lämmönvaihtimien kautta kytketyt patterit, joissa kuuma vesi virtaa.

Kuljetukselle on kaksi tapaa. Luonnollinen eli niin sanottu vapaa konvektio on nosteen seurauksena tapahtuvaa energian siirtoa. Esimerkiksi kuumempi ilma nousee tiheyseron vuoksi viileämmän ilman yläpuolelle. Toinen tapa on pakotettu konvektio eli esimerkiksi pumpun, turbiinin tai puhaltimen avulla toimiva energian siirto.

Energian siirtymisessä aineen mukana, eli lämmön kuljetuksessa (konvektiossa), siirtyvän energian määrään vaikuttavat kolme asiaa: aineen ominaisuudet, aineen määrä ja aineen lämpötila.

Esimerkiksi vedellä on suuri lämpökapasiteetti, joka mahdollistaa hyvän energian varastointikyvyn, ja siten vesi soveltuu mainiosti lämmön kuljetukseen.

2.4.3. Säteileminen

Lämpösäteily on yksi energian siirtymismuoto. Ihmisiin ja ihmisistä ei siirry energiaa vain kulkeutumalla tai johtumalla, vaan suuri osa siirtyy säteilyn välityksellä. Esimerkiksi lämpimänä pitävien vaatteiden suunnittelussa säteily pitää ottaa huomioon. Lämpösäteilyn voi tuntea iholla esimerkiksi kesällä, kun on auringonvalossa, nuotion lähellä tai vaikkapa talvella patterin läheisyydessä. Maapallon elämän ja luonnon kannalta auringon säteilemä energia on välttämätön, ja ilman sitä maapallo olisi ”kuollut” planeetta.

Kaikki sähkömagneettinen säteily sisältää energiaa, jonka suuruus riippuu säteilyn aallonpituudesta ja intensiteetistä. Sähkömagneettinen säteily etenee myös tyhjiössä ilman väliainetta. Siispä energia siirtyy säteilemällä sähkömagneettisen aaltoliikkeen mukana.

3. Ongelmat lämpöopin käsitteiden opetuksessa ja oppimisessa

3.1. Määritelmien vaihtelevuus

Lämpöenergia ja lämpö ovat käsitteitä, jotka saattavat helposti sekoittua keskenään. Yksi ratkaisu ongelmaan voisi olla jo perusopetuksessa asian selventäminen tai esimerkiksi se, kuten Vesa Maanselkä artikkelissaan Energia-käsitteen hämäryys kirjoittaa, että sana lämpöenergia pitäisi julistaa kieltoon, ettei se harhauta oppilaita luulemaan lämpöä ja lämpöenergiaa synonyymeiksi (Maanselkä, 2010). Maanselkä määrittelee lämpöenergian synonyymiksi sisäenergian kanssa.

Toinen erittäin paljon tutkittu aihe on lämmön ja lämpötilan käsitteiden ymmärtäminen ja erottaminen toisistaan (Taber, 2000; Harrison ym., 1999; Kautz ym, 2005; Ahtee, 1994). Nämä yksinkertaiselta kuulostavat, jokapäiväisessä elämässä esiintyvät sanat ovat hankalia selittää ja ymmärtää luonnontieteen näkökulmasta, jopa yliopisto-opiskelijoille.

Lämpö sanan käytön ongelmat luultavasti juontavat juurensa tieteestä ja arkipäivästä. Lämpö on yleinen arkipäivän sana ja arjessa sillä ei ole sama merkitys kuin luonnontieteessä. Lämpö on myös luonnontieteissä usein väärinkäytetty sana. Huolimaton käsitteen käyttö lisää virhekäsityksiä (Romer, 2001). Romerin kirjoituksessa Heat is not a noun julistetaan sitä, että lämpö (heat) on käytännössä verbi eikä substantiivi. Hän luettelee tärkeitä henkilöitä ja asioita, jotka ovat "lämpö on verbi" -ajatusta vastaan, kuten Zemansky ja sanakirjat. Jos sanaa ei voida käyttää verbinä eikä substantiivina, niin miksi käyttää sanaa ylipäätään. Hän pohtii mitä sanaa tai ilmaisua voitaisiin käyttää lämmön tilalla, mutta ei kuitenkaan kerro valmista ratkaisua vaan, vain ehdotuksia. Romer käyttää analogiaa työ käsitteeseen vahvistaakseen ajatuksiaan, eli systeemi ei sisällä työtä ja täten työtä ei ajatella substantiivina tai aineena. Romerin kirjoitukseen julkaistussa vastauksessa ollaan samalla kannalla ja harmitellaan sitä, kuinka fysiikan ala vastustaa muutosta ja että kielen muuttaminen olisi lähes mahdotonta, mutta korostaa kuitenkin kriittisen sanojen tarkastelun hyödyllisyyttä (Hobson, 2001).

Suomen kielessä lämpö on kuitenkin nimi prosessille, jossa energiaa siirtyy, eli täytyy puhua substantiivista. Suomen kielessä esiintyy sanat lämpö (substantiivi) ja lämmittää (verbi), joita useasti englannin kielessä vastaa yksi sana eli heat. Tämä on myös suomen kielessä sekaannuksia tuottava aihe, sillä verbi lämmittää liittyy suorasti substantiiviin lämpötila, eikä sanaan lämpö.

3.2. Oppilaiden vaihtoehtoiset käsitykset

Opetussuunnitelma sisältää ne asiat, jotka pitää opettaa koulussa. Yleensä oppikirjat sisältävät opetussuunnitelman mukaiset asiat, toisin sanoen esittäessä kirjan asiat opettaja tulee noudattaneeksi opetussuunnitelmaa. Opettaja esittää oppikirjan (opetussuunnitelman vaatimat) asiat ja työ on hoidettu virallisesti. Tällainen lyhyt kuvaus opettajan työstä, ja lisäksi työviikon pituuden ollessa noin 20 tuntia viikossa, saattaa luoda vääriä käsityksiä opettajan työstä tai sen vaativuudesta. Nykyisten pedagogisten mallien mukaan opettajan rooli on hyvin vaativa ja se ei keskity vain siihen mitä opetetaan vaan siihen miten opetetaan. Oppilaiden arkipäivän käsityksiä, virheellisiä tai nykyaikaisesti sanottuna vaihtoehtoisia käsitteitä pitää selvittää, jotta uusien käsitysten opettaminen voisi olla tehokkaampaa (Yeo & Zadnik, 2001). Siispä luonnontieteen opettajien pitää olla tietoisia oppilaiden vaikeuksista eri käsitteiden, kuten lämpöenergian ja lämpötilan, erottamisessa toisistaan ja silloin oppilaiden käsitteiden ymmärtämistä voi tehokkaammin parantaa (Niaz, 2006). Olipa kyse vanhoista tai uudemmista opetuksen näkemyksistä, niin opetuksen perustavoite on muuttumaton: saada oppilaiden tietämys uusimman tieteellisen tiedon mukaiseksi. Joka tapauksessa se on selvää, että oppilailla on lukemattomia määriä vaihtoehtoisia käsityksiä. Vaihtoehtoisten käsitysten joukko on kirjava, mutta kuitenkin tutkimuksissa on havaittu, että tietyn tyyppiset virhekäsitykset ovat muita yleisempiä (Clough & Driver, 1985).

Varsinkin lämpöopin yhteydessä väärinymmärryksien ja virheellisten käsitysten syntyminen on yleistä, koska luokassa käytetyt tieteen kieli ja arjen kieli poikkeavat toisistaan. Monet oppilaat ja osa opettajistakaan eivät tiedosta, että luokkahuoneessa on käytössä kaksi kieltä, opettajan ja oppilaiden kieli, joissa käsitykset asioista ovat täysin toisistaan poikkeavia. Erityisesti kyseisen fysiikan osa-alueen sanasto on vahvasti osana molempia kieliä. Esimerkiksi sana lämpö on yleinen luonnontieteen sana ja arkikielen sana, mutta sillä on hyvin erilaiset merkitykset opettajan tieteellisessä kielessä ja oppilaan arkikielessä. Oppilaiden kielessä "lämpö" on jotain kuumaa tai lämmintä, kun taas opettajien tieteellisessä kielessä "lämpö" tarkoittaa energian siirtymistä.

(Wiser & Amin, 2001). Vaikka oppilaiden puhe sisältää sanoja lämpö ja lämpötila, niin heidän käsitykset eivät yleensä ole tieteellisiä. Oppilaiden terminologia voi poiketa opettajien tai kirjojen terminologiasta, mutta silti opettajien pitäisi käyttää tunneilla tieteen terminologiaa, kuitenkin ymmärtäen oppilaiden ajatuksia (Paik, 2007).

3.3. Opettajien vaihtoehtoiset käsitykset

Eräässä viimeaikaisessa tutkimuksessa tarkastellaan lasten käsityksiä lämmöstä ja lämpötilasta ja erikoista tutkimuksessa oli se, että tutkimuksen kohteena oli erittäin nuoria lapsia (Paik ym., 2007). Neljä- ja viisivuotiaat lapset olivat leikkikoululaisia ja muut alakoululaisia. Tutkimuksessa huomattiin, että monet virhekäsitykset syntyvät tai muodostuvat vasta koulun alkuvuosina.

Havaittiin, että nuorimmilla lapsilla oli parempi näkemys termodynamiikan ilmiöistä kuin koulun aloittaneilla lapsilla. Tämä näyttäisi viittaavan siihen, että virhekäsitykset muodostuvat koulun oppitunneilla. Opetuksessa saattaisi siis olla virhekäsityksien syntymistä edesauttavia tekijöitä, kuten opettajien virhekäsitykset tai väärinymmärrykset. (Paik ym., 2007)

Lämpöopin käsitteiden hämäryyteen oppilailla on varmasti monta syytä, kuten synonyymien määrä, opettajien ja kirjallisuuden epäselvä käsitteiden käyttö ja se, että opettajilla on vaihtoehtoisia käsityksiä (Jasien & Oberem, 2002). Opetuksen tutkimisessa kiinnitetään monesti huomio oppilaiden suoriutumiseen tai ongelmiin ja opetusta kehitetään sitä kautta. Tämä huomataan myös siitä, että löytyy vain vähän tutkimuksia opettajien käsitteiden käytöstä ja virhekäsityksistä. Opetuksen yleisen kehittämisen lisäksi opettajien käsitteiden hallintaan ja käyttöön voisi kiinnittää huomiota jo opettajakoulutuksen aikana ja opettajien täydennyskoulutuksissa. Oppilaiden energiakäsitysten kehitystä käsittelevässä artikkelissa havaittiin, että väärinkäsitykset syntyvät monesti tietyistä fysiikan esitystavoista. Näihin pitäisi kiinnittää huomiota. Arons toivoo, että opettajat ja kirjantekijät omaksuisivat lähestymistapoja, jotka välttävät virhekäsitysten syntyä (Arons, 1999).

Opettajilla esiintyy lämpöopin käsitteistä samanlaisia virhekäsityksiä tai epäselvyyksiä kuin oppilailla. Suuri osa oppilaiden virhekäsityksistä saattaa siis tosiaan olla opetuksesta peräisin.

Eräässä tutkimuksessa havaittiin, että koulutuksen taso vaikuttaa hyvin vähän lämpöenergian ja lämpötilan käsitteiden hallintaan (Lewis & Linn, 1994). Tutkimuksessa saatiin selville, että jopa aiheen parissa työskennellyillä, kokemusta omaavilla tiedemiehillä (tohtoreilla) oli ongelmia selittää käsitteisiin liittyviä eroja ja ilmiöitä tieteellisesti. Tutkimuksesta voidaan päätellä, että lämpöopin hankalia käsitteitä ei opeteta millään koulutasolla selkeästi tai siten, että suurin osa oppilaista oppisi ne hyvin.

3.4. Käsitteenmuodostus

Opetuksen tärkeä tavoite on luoda oppilaille tieteellisen tiedon mukaiset käsitykset. Harvoin tieto tulee aivan uutena irrallisena asiana. Tavallisesti ajatellaan, että tieto rakentuu aiemman päälle (konstruktivistinen malli) ja aikaisempia käsityksiä muokataan. Siitä miten käsitteellinen muutos tai toisin sanoen käsitteenmuodostus tapahtuu on reilusti tutkimusdataa ja pohdintoja (mm. Lewis &

Linn, 1994; Wiser & Amin, 2001), mutta asia on hyvin kiistanalainen ja ei löydy yhtä tiettyä mallia, joka kuvaisi hyvin tapahtumaa kaikissa tilanteissa. Siksi on hyvä muistaa perinteinen kultainen keskitie ja olla avoin monille malleille yhtä aikaa. Opettajan tulisi tuntea käsitteenmuodostuksen teoriaa, sillä käsitteiden oppiminen on tärkeää tieteessä, varsinkin fysiikassa. Jos käsitteitä opetetaan, on hyvä tietää kuinka käsitteitä opitaan. Ahteen sanoin: "...fysiikkaa opetetaan liian paljon tietojen jakamisena eikä kiinnitetä riittävästi tiedon muodostumis- ja kehittymisprosesseihin." (Ahtee, 1994, s. 15).

Tutkijat ovat pitkään väitelleet siitä, onko käsitteellinen muutos (käsityksen muuttaminen tieteellisen tiedon mukaiseksi) "vallankumouksellista vai evoluutionääristä" (eng. revolutionary or evolutionary). Tuoko käsitteenmuodostus uuden käsityksen vanhan tilalle (revolutionary) vai jääkö uusi ja vanha käsitys asiasta elämään rinnakkain (evolutionary)? Tutkimukset lukioikäisten oppilaiden termodynamiikan oppimisen parissa viittaavat siihen, että käsitteellinen muutos kyseisellä fysiikan alueella sisältää usein molempia komponentteja. (Wiser & Amin, 2001)

Käsitteenmuodostuksessa on tärkeää, että tieto on ymmärrettävää ja uskottavaa. Jotta tieto olisi uskottavaa, se pitää liittää asioihin, jotka luovat virheelliset käsitykset. Oppilaiden vaihtoehtoisia käsityksistä täydentämällä ja muuttamalla niitä tieteellisen käsityksen mukaisiksi -tyylistä pedagogista lähestymistapaa on tutkittu paljon (Scott ym., 1991; Wiser & Amin, 2001; Arnold &

Millar, 1996). Esimerkiksi jo aikaisemmin mainittu virhekäsitys lämmöstä, että se olisi jotain lämmintä tai kuumaa, voidaan johtaa lämmön tieteellisestä käsityksestä. Lämpö on siirtyvää energiaa, joka esimerkiksi muuttaa kappaleen sisäenergiaa lisäämällä rakenneosasten liikehdintää, ja näin ollen kappale tuntuu "kuumemmalta" eli sen lämpötila nousee. Liittäen näin toisiinsa virhekäsityksen tai arkipäiväisen käsityksen ja tieteellisen käsityksen, vanha käsitys ei yksinkertaisesti jää uuden tieteellisen käsityksen rinnalle, vaan vanha käsitys selittyy tieteen näkökulman kautta (Wiser & Amin, 2001). Kyseisessä tapauksessa ei voida siis puhua yksinomaan

joko revolutionäärisestä tai evolutionäärisestä käsitteellisestä muutoksesta, koska tilanne on niiden välimaastossa.

Loppujen lopuksi käsitteenmuodostaminen on periaatteessa merkityksen antamista ja sisällön opettelemista uudelle sanalle. Käsitteenmuodostuksen teoriat vastaavat yleisesti tiedon oppimista. Esimerkiksi aikaisemmin mainittu konstruktivistinen oppimiskäsitys (Piaget, yms.) ja sen tietyt mallit vastaavat yllä kuvailtua käsitteen oppimisen mallia. Uusi tieto tai käsite opitaan liittäen se vanhaan tietoon ja opittuihin käsityksiin. Opettaja toimii ohjaajana tällaiseen oppimiseen. Eräs malli on sosiaalinen konstruktivismi. Yksinkertaistetusti ilmaistuna siinä oppilaat tekevät jotain tai keskustelevat keskenään ja opettaja ohjaa oppimista sopivissa kohdissa (Pollard ym., 2008). Kuvassa 1 havainnollistettu mallia ja roolien merkitystä. ZPD tarkoittaa oppijan lähikehityksen vyöhykettä (Zone of Proximal Development) eli oikeissa olosuhteissa mahdollisesti tapahtuvaa kehitystä. Kehittymispotentiaalia omaavat kohdat eli lähikehityksen vyöhykkeet ovat niitä, joissa opettajan ohjaus on tärkeää. Näin ajoitettu ohjaaminen auttaa saavuttamaan maksimaalisen kehittymisen lähikehityksen vyöhykkeillä.

Kuva 1: Sosiaalinen konstruktivistinen malli opettajan ja oppilaan rooleista (Pollard ym., 2008).

3.5. Opettajan puhe opetuksessa

Käsitteenmuodostus on tärkeä osa opetusta ja oppimista. Hyvin vähän löytyy tutkimuksia siitä, miten opettajan puhe vaikuttaa käsitteen muodostukseen. Voidaan kuitenkin maalaisjärjellä ajatella, että opettajan puheen tulee olla yksikäsitteistä ja käsitteiden käytön tulee olla ymmärrettävää. Varsinkin yläkouluikäisten kanssa puheesta pitää olla tarkkana, sillä opettaja on

esikuva. On järkevää ajatella, että käsitteenmuodostus voi kärsiä, jos opettaja käyttää eri konteksteissa samaa sanaa eri merkityksissä. Hyvä esimerkki on sana ja käsite "lämpö", jota opettajat monesti käyttävät huolimattomasti ja luovat siten nuorille oppilaille virhekäsityksiä (Maanselkä, 2010). Tässä luvussa käsitellään opettajan puhetta yksikäsitteisyyden, yksinkertaisuuden ja tiettyjen kommunikatiivisten lähestymistapojen osalta (dialoginen avaaminen ja auktoritatiivinen sulkeminen).

3.5.1. Puheen yksikäsitteisyys

Suomessa sanat lämpö, lämpötila, lämpöenergia, terminen energia ja sisäenergia ovat käytössä jopa synonyymeina ja opettajat eivät painota sitä, että sanan merkitys vaihtuu kontekstin vaihtuessa. Koulutetuilla fyysikoilla on arkipäivää se, että puhutaan asioista ns. väärillä sanoilla.

Kun konteksti on selvillä ja puheeseen osallistuvat henkilöt ovat suunnilleen samalla tietämyksen tasolla, niin käytetyillä sanoilla tai käsitteillä ei ole merkitystä. Tätä periaatetta ei mielestäni voi soveltaa fysiikanopetukseen yläkoulussa. Käsitteistä pitäisi puhua yksikäsitteisesti ja jokaisella käsitteellä tulisi olla oma erottuva nimi tai termi, eikä vaihdella sanan merkitystä yhdelle sanalle kontekstin vaihtuessa (Taber, 2000). Tähän aiheeseen osuvana analogiana voidaan ajatella vähänkin monimutkaisemman sarkasmin käyttöä lapsille puhuttaessa; lasten kanssa tekemisissä olleet aikuiset tietävät, etteivät lapset aina ymmärrä sarkastista ilmaisua. Sarkasmin käytöstä on todettu tutkimuksissa, että lapset eivät ymmärrä haluttua asiaa varsinkaan silloin, kun intonaatio ei ole sarkastista (Marshall, 2007; Capelli ym., 1990). Kyseinen analogiakin puhuu siis sen puolesta, että fysiikan opetuksessa (varsinkin nuorille ja lapsille) on hyvä puhua asioista yhtenäisesti ja yksikäsitteisesti. Korrekti puhe on siis tärkeää.

3.5.2. Puheen yksinkertaisuus

Seuraavassa tekstiesimerkissä havainnollistetaan lämpötilan on intensiivistä ja lämmön ekstensiivistä luonnetta. Käsitteiden ero on kohtalaisen selkeä.

Yhden litran ja viiden litran kattilat täynnä vettä ovat molemmat samassa lämpötilassa, eli molempien rakenneosasten keskimääräinen liike-energia on sama. Kattiloiden sisältö lämmitetään korkeampaan lämpötilaan, molemmat kuitenkin samaan lämpötilaan. Tällöin tarvittu lämpö on suurempi isomman kattilan tapauksessa, koska tarvitaan enemmän energiaa saamaan suurempi määrä rakenneosasia liikkeeseen. Lämpötilan muutokset kattiloissa ovat yhtä suuret, mutta muutokseen tarvittavat lämpömäärät ovat erisuuret.

Esimerkki kuulostaa fyysikon korvaan yksinkertaiselta, mutta lapselle siinä on paljon käsiteltävää, monta fysiikan käsitettä (lämpötila, liike-energia, lämpö ja energia). Kuvitellaan, että käsitellessään esimerkkiä oppilaiden kanssa, opettaja liittää käsittelyyn sanat lämpöenergia, terminen energia ja sisäenergia. Voidaan vain kuvitella, kuinka ylitsepääsemättömän vaikeaksi asia oppilaalle tulisi.

Esimerkki havainnollistaa käsitteiden käytöstä ja niiden määrästä syntyvää ongelmaa. Opetuksen yksinkertaistamisesta on ollut keskustelua fysiikan opetuksen tutkimuksen parissa, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy (Taber, 2000, 2004). Käsitteiden valinta ja opetuksen yksinkertaistaminen on siis täysin opettajan harteilla, sillä mitään yhteistä linjausta ei ole olemassa. Tarpeeksi yksikertainen puhe ja käsitteiden määrän hallinta puheessa on joka tapauksessa olennaista.

3.5.3. Puheen dialoginen avaaminen ja auktoritatiivinen sulkeminen

On opettajan valinta, millaisia kommunikatiivisia lähestymistapoja hän käyttää opetuksessaan.

Tutkimuksissa on kuitenkin havaittu, että jotkut lähestymistavat ovat tietyissä tilanteissa tehokkaampia kuin toiset (Mortimer. & Scott, 2003). Eräs uudempi tutkimus (Scott & Ametller, 2007) käsittelee sitä, kuinka opettamisesta saadaan mielekästä ja tehokasta tasapainottelemalla dialogisen avaamisen (opening up) ja auktoritatiivisen sulkemisvaiheen (closing down) kanssa.

Tutkimuksen pääidea oli näyttää, että mielekäs oppiminen sisältää sen, että oppija näkee kuinka uudet ideat ja käsitykset liittyvät aikaisempiin käsityksiin. Tämä siis vahvistaa sen, että opettajan erilaiset kommunikatiiviset lähestymistavat vaikuttavat oleellisesti käsitteenmuodostukseen eli käytännössä uusien asioiden oppimiseen. Kuten jo käsitteenmuodostusluvussa käsiteltiin, on tehokasta liittää uudet asiat vanhoihin siten, että esimerkiksi virhekäsitys selittyy tieteen kautta täydennetyksi, uusimman tieteen mukaiseksi käsitykseksi. Scottin tutkimus rohkaisee opettajaa

selvittämään dialogisen lähestymisen kautta oppilaiden näkemykset ja auktoritatiivisella lähestymistavalla korjaamaan tai täydentämän vanhat käsitykset oikeiksi. Näin ollen ei tarvita esimerkiksi laajaa virhekäsitysluetteloa tai muuta vastaavaa ja yritetä niistä päästä tieteen mukaiseen käsitteeseen, vaan selvitetään sillä hetkellä opetettavan ryhmän yleisimmät käsitykset ja työstetään niitä. Jokainen ryhmä on kuitenkin erilainen, joten opettajalta vaaditaan kommunikatiivisia taitoja ja hyvää aineen osaamista opetuksen mukauttamiseen jokaiselle ryhmälle sopivaksi. Tässä tarkastelussa on havaittavissa yhteys kuvan 1 mukaiseen toimintamalliin eli auktoritatiivinen sulkemisvaihe vastaa "support and instruction" -vaihetta ja dialoginen avaamisvaihe vastaa muita vaiheita eli ongelman tai toisin sanoen lähikehityksen vyöhykkeiden (activity and discussion sekä ZPD) havaitsemis- ja hyödyntämisvaihetta. Malli vaatii sopivan oppimisympäristön ja luokkahengen sekä aikuisen opettajan korkeatasoista arviointia, tietoa ja taitoa (Pollard ym., 2008).

4. Tutkimuskysymykset

Edellä käsitellyistä fysiikan teoriasta ja opetuksen ongelmista päästään tämän pro gradu tutkimuksen tutkimuskysymyksiin. Lähtökohtana tutkimuksen tekoon oli käsitteiden opetuksen tarkastelu lämpöoppia käsittelevillä oppitunneilla. Lähtökohdan ja siihen liittyvän tutkimuksen teoriaosan valmistumisen myötä tutkittavat ongelmat tarkentuivat ja niistä muotoiltiin lopulliset tutkimuskysymykset. Teoriaosassa havaittiin, että lämpöopin käsitteiden käyttö voi olla hankalaa niin oppilaille kuin myös opettajille. Havaittiin myös, että erilaiset opettamisen lähestymistavat voivat olla tehokkaampia kuin toiset. Näin ollen tutkimuskysymykset käsittelevät usealla eri tavalla käsitteiden käyttöä ja hallintaa opetuksessa.

1. Kuinka käsitteet ajallisesti ja määrällisesti opetetaan oppitunneilla?

Tarkoitus on selvittää millainen rakenne tunnilla on käsitteiden opetuksen suhteen. Samalla on tarkasteltu käsitteiden käytön määrää, joka on liitoksissa opetuksen yksinkertaisuuteen, kuten teoriaosassa havainnollistettiin.

2. Millaista opettajan puhe oli käsitteiden osalta?

2.1. Onko opettajan puhe yksikäsitteistä?

Tarkastellaan käsitteiden hallintaa puheessa teoriaosan yksikäsitteisyysosion mukaisesti (luku 3.5.1.).

2.2. Onko opettajan puhe yksinkertaista?

Tarkastellaan puheen yksinkertaisuutta käsitteiden käytön määrän ja yleisen ymmärrettävyyden suhteen (luvun 3.5.2. mukaisesti).

2.3. Löytyykö puheesta dialoginen avaaminen ja auktoritatiivinen sulkeminen?

Tarkastellaan löytyykö opetuksesta avausvaihe, jossa opettaja selvittää ongelmia oppilaiden käsitteiden hallinnassa ja lopetusvaihetta, jossa opettaja auktoritatiivisesti muuttaa oppilaiden tietämyksen luonnontieteen mukaiseksi (lukua 3.5.3 hyödyntäen).

3. Millaisia vastauksia oppilaat antoivat käsitteiden osalta oppilastöihin liittyviin kysymyksiin?

Tarkastellaan työkorttien vastauksia oppilaiden käsitteiden käytön osalta. Tarkastelussa töiden osaaminen kirjallisella tasolla. Vastauksien oikeellisuutta ja laatua tutkitaan.

4. Kuinka yksikäsitteinen on opettajien vastaus suoraan kysymykseen "mitä lämpö on"?

Tarkastelussa opettajien käsitteet lämmöstä eli mitä he ajattelevat lämmön olevan.

5. Menetelmä

5.1. Tutkimuskohde

Tutkimuskohteeksi valitsin yläasteen monesta syystä. Ensinnäkin yläasteen oppikirjojen analysoinneista alkoi kiinnostus käsitteiden tarkasteluun, toiseksi peruskoulu on opetusaste, jossa fysiikan tieteen mukaisia käsitteitä opitaan yleensä ensimmäistä kertaa. Yläasteen oppilaat ovat

hyvä kohde myös siksi, että oppilasaines on sekalaisia laajalle jakautuneiden kiinnostuksen kohteiden suhteen. Esimerkiksi lukion fysiikan valinnaisilla kursseilla oppilaat ovat selvästi kiinnostuneita fysiikasta, kun taas yläasteella on liikunnasta, taiteesta ja tieteestä eritavoin kiinnostuneita oppilaita enemmän. Tutkimus suoritettiin eräässä Keski-Suomen koulussa. Koulu valikoitui kohteeksi sijaintinsa vuoksi ja siellä myös sattui sopivasti olemaan energian siirtyminen oppitunnin aiheena kahdella eri opettajalla muutaman kuukauden sisällä. Koulun tutkimuskohteeksi valikoitumisen syynä oli myös se, että toinen opettajista oli harjoittelija, joten päästiin tarkastelemaan sekä kokemattoman että kokeneen opettajan opetusta.

Tutkimuksen kohteena oli kaksi peruskoulun 7. luokkaa. Toisella luokalla toimi opettajana kokenut, pätevä opettaja ja toisella luokalla oli harjoittelija opettajana sekä luokan takana oli vakituinen kokenut opettaja. Oppituntien tarkoitettu pituus oli kaksoistunti eli 90 minuuttia, mutta toisen tunnin (opettajaharjoittelijan tunti) aikana oli koulun juhlamenoja, joiden takia tunnin pituus lyheni 60 minuuttiin.

5.2. Materiaalit ja analyysi

Lämpöopin ja varsinkin energian siirtymisen käsitteiden ja niiden käytön tutkimista varten kerättiin monipuolista materiaalia kahdelta oppitunnilta. Tunnit videoitiin, ja lisäksi ne äänitettiin, jotta käydyt keskustelut saatiin taltioitua riittävän selvinä. Toisen opettajan oppitunnilla käytetyt oppilastyön työkortit kopioitiin jokaiselta oppilaalta. Lisäksi tunteihin osallistuvilta opettajilta saatiin täytettynä heille annetut pienimuotoiset kyselylomakkeet. Seuraavassa on tarkempi selitys materiaaleista. Jokaisen materiaaliselvityksen jälkeen tarkennetaan, kuinka kyseinen materiaali on analysoitu. Tulokset esitetään luvussa 6. Selvennykseksi taulukkoon 2 on lajiteltu materiaalit tunneittain ja taulukkoon 3 tehdyt analyysit materiaaleittain.

5.2.1. Videot ja audiot

Videokameran ja audionauhureiden käytöstä vastasin itse. Kuvasin tunnit parhaaksi näkemälläni tavalla. Videokuvaus onnistui hyvin molempien opettajien tunneilla. Audionauhureita käytin pääasiassa vain opettajaharjoittelijan tunnilla. Audionauhurit sai opettajaharjoittelijan tunnilla laitettua hyvin ennalta suunniteltuihin ryhmiin, ja nauhureiden audioilta sai tarkennettua videolla epäselvästi kuuluvia puheita ja keskusteluita. Kokeneen opettajan tunnilla käytettiin audionauhuria, mutta sillä saatu data oli epämääräistä, koska ryhmät liikkuivat paljon luokassa.

Toisaalta kokeneemman opettajan tunnilla kameraa liikuteltiin enemmän ryhmien mukana ja näin ollen ryhmien puheita saatiin tallennettua hyvin videonauhoitteeseen.

Opettajaharjoittelijan tunnilta taltioitiin myös oppilastyöryhmien esitykset tekemistään oppilastöistä. Oppilaat kävivät ryhminä esittämässä luokan edessä tuloksiaan. Kyseiset esitykset näkyvät videolla ja kirjallisena kopioiduissa työkorteissa.

Videokuvatuilta oppitunneilta on analysoitu minuutti minuutilta käsitteiden esiintyminen opettajien esityksessä. Analyysin tulokset on esitetty "Tulokset"-luvun kuvissa 2 ja 3. Tunnit on katsottu tietokoneen videontoisto-ohjelmalla ja havainnot on kirjattu samalla taulukko-ohjelmaan (Excel). Tietyn käsitteen esiintyminen on merkitty, jos siitä puhutaan kyseisellä sanalla (esimerkiksi mainitaan sana "lämpö") tai selkeästi puhutaan tietystä käsitteestä käyttämättä sille määritettyä sanaa (katso esimerkki taulukon 1 Kuljetus-koodin kohdalta). Kuvista käy ilmi myös tuntien rakenne. Vaaka-akselilla on minuutit sekä yllä tunnin kuvausta ja pystyakselilla käytetyt käsitteet.

Kuvista nähdään tunnin rakenteesta kokonaiskuva ja näin pystytään tarkastelemaan avaus- ja sulkemisvaiheiden esiintyvyyttä tunnin rakenteesta. Lisäksi puheen ja opetuksen yksinkertaisuutta on tarkasteltu kokonaiskuvan kannalta myös käytettyjen käsitteiden määrän perusteella.

Taulukossa 1 on esimerkit opettajan ja oppilaiden puheista käsitteille, joita on kuvissa 2 ja 3 käytetty. Taulukossa on selvennyksen vuoksi alleviivattu käsitteet, jotka on merkitty kyseisen minuutin kohdalle.

Taulukko 1: Videoanalyysissä käytetyt käsitteiden koodit ja esimerkki kunkin koodin esiintymisestä oppitunnilla. Viimeisessä sarakkeessa on esimerkissä alleviivatun käsitteen esiintymishetki tunninkulussa sekä kyseessä oleva opettaja (kokenut opettaja tai opettajaharjoittelija).

Litteroinnit videoista ja osittain audionauhalta kokeneen opettajan sekä opettajaharjoittelijan puheesta ja keskusteluista ovat luvussa 6.2. kronologisessa järjestyksessä. Litteroidut tekstit on järjestelty episodeihin ja numeroitu pääasiassa vuoropuheittain. Sopivissa väleissä on selvitetty oppituntien kulkua. Jokainen episodi sisältää oman analyysiosion. Litteroitujen kohtien tarkastelu mukailee Scottin ja Ametllerin erään tutkimuksen (kommunikatiivisten lähestymistapojen) analyysin rakennetta, eli joka episodiin sisältyy oma analyysi ja dialogit ovat numeroituja (Scott &

Ametller, 2007). Litteroituja keskusteluita on tarkasteltu tämän tutkimuksen teoriaosan luvun 3.5.

KOODI ESIMERKKI (puheista litteroituja) Esiintymishetki

(min)/opettaja Lämpö Oppilaat: ”Mutta lämpö ei ole ainetta?” Opettaja: ”Lämpöhän on

energiaa” Oppilaat: ”Niin joo, mutta se ei ole ainetta” Opettaja:

”Joo ei ole ainetta” Oppilaat: ” Niin.” Oppilaat: ”Mutta siis onko se nyt siis, ei siirry” Opettaja: ”Ei siirry ainetta, vaan siirtyy?” Oppilaat:

”Ei siirry ainetta, vaan lämpöä, energiaa”

30/harjoittelija

Energia Opettaja: ”Eli vesi lämmön sitojana ja energian, lämpöenergian sitojana ja sitten luovuttajana on aika huikee, huikee aine”

8/kokenut Lämpötila Opettaja: ”Koska te pohjaa lämmititte, sitten sieltä huomasitte,

että myös pinta lämpenee, pintavesi lämpenee ja liikkuu vettä pinnalle, elikkä väriaineen liike. Todistitte, että siellä siirtyy ainetta." Oppilaat: ” …ja lämpöä.” Opettaja: ” ja lämpöä, hyvä, siinä on se pointti, pistäkää ylös.”

35/harjoittelija

Johtuminen Opettaja: "Lämpöä voi siis siirtyä johtumalla, esimerkiksi kahvikupista, jos otetaan kahvikupista kiinni, niin siirtyy kahvista käteen ja mukiin sitä lämpöä."

18/harjoittelija

Kuljetus Lämpötilakoodin yhteydessä oleva keskustelu kuvailee kuljetusta ja näin ollen sopii hyvin myös tähän esimerkiksi, eli yhdestä virkkeestä voi tietysti saada moneen kohtaan sopivia käsitteitä.

35/harjoittelija

Säteily Opettaja: ”Mutta tumma oli semmonen että se imee mitä enemmän?” Oppilas: ”Lämpöä” Opettaja: ”Lämpöä, minkä, miten se tulee, tuleeko se ilman, tuleeko se jonkin aineen kautta vai mitenkä se lämpö tulee siihen?” Oppilas: ”No säteilyllä.” Opettaja:

”Säteilyllä.

50-51/kokenut

Muuta Opettaja: ”…C oli se ominaislämpökapasiteetti, joka on aineelle, jokaiselle aineelle erilainen…”

5/harjoittelija

mukaisesti. Litterointien analyysin aiheena ovat puheen yksikäsitteisyys, yksinkertaisuus ja kommunikatiiviset lähestymistavat käytetyn teorian osalta (avaaminen ja sulkeminen).

5.2.2. Työkortit opettajaharjoittelijan oppilailta

Opettajaharjoittelijan tunnilla täytetyt työkortit saatiin tämän tutkimuksen käyttöön. Oppilaat oli jaettu neljään työryhmään. Jokaisella oppilaalla oli oma työkortti, mutta työryhmien sisällä oppilaiden työkortit näyttävät lähes identtisiltä. Liitteessä 1 on kopio tyhjästä työkortista.

Työkortit analysoitiin jakamalla jokaisen oppilastyön osaaminen kolmeen osaamisluokkaan (osattu, ei osattu, tyhjä tai vajaa). Työkorteista ilmennyt osaaminen on esitetty 6.4. luvun kuvissa 6-9. Diagrammeista sekä oppilaiden lausahduksista on tehty päätelmiä oppilaiden käsitteiden oppimisesta. Jokainen ryhmä teki vain kaksi eri työtä, joista toisen he esittelivät muulle luokalle.

Muista töistä he kuulivat muiden ryhmien esityksiä. Tarkoituksena oli oppia kolme energian siirtymisen tapaa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, miten ilmiöitä ja käsitteitä on opittu. Tällainen opetusmuoto on vaativaa, sillä suuri osa tunnin asioiden oppimisesta nojaa oppilaiden esityksiin ja siihen miten opettaja niihin puuttuu. Toisaalta opetusmetodi on innostavaa ja hauskaa sekä esiintymistaitoa kartuttavaa.

5.2.3. Opettajan pohdinnat kysymyslomakkeesta

Opettajille jaettiin pienimuotoinen kyselylomake (liite 2), joka sisälsi kaksi kysymystä oppituntien aiheesta. Nämä kysymykset oli pohdittu kandidaatin tutkielmani pohjalta, jossa paljastui, että tiettyjä käsitteitä käytetään opetuksessa huolimattomasti. Vastanneiden opettajien osalta saatu data on helposti analysoitavissa ja selkeää, koska kysymykset olivat suoria ja yksinkertaisia (suoran kysymyksen vastaus on vastaavanlainen). Opettajien vastaukset on kirjoitettu sana sanalta ja lauserakenteet sekä muotoilu (esim. alleviivaukset) ovat muokkaamattomia. Kysymyslomakkeista on siis tarkasteltu opettajien lämpökäsitteen käytön yksikäsitteisyyttä ja opettajien mielipiteitä hankalista asioista opetettavan aiheen parissa.

5.2.4. Kokoavat taulukot

Seuraavassa esitetään kokoavasti materiaalit ja analyysit. Taulukko 1 on kokoava taulukko materiaaleista ja taulukko 2 on kokoava taulukko analyyseistä. Taulukot on laadittu selvennyksen vuoksi ja niihin on helppo palata tarvittaessa. Taulukoissa on eroteltu jokainen datalähde erikseen ja tarkennettu niiden merkitystä analyyseissä ja itse materiaaleina.

Taulukko 2: Materiaaleista kokoava katsaus.

Datalähde Opettajaharjoittelija Kokenut opettaja

Video - Lähes staattinen asema kameralla, onnistui hyvin.

- Aluksi staattinen asema kameralla.

- Oppilastöiden aikana kamera liikkui ryhmästä toiseen.

Audionauhurit - Kolmessa oppilasryhmässä, hyviä keskusteluja ja pohdintoja.

- Yksi audionauhuri, mutta huono lähde koska ryhmät ei olleet staattisia, vaan liikkuivat luokassa.

Työkortit - Jokaiselta oppilaalta työkortti, käytännössä tietyn ryhmän jäsenillä lähes identtiset vastaukset.

- Kokeneella opettajalla ei ollut käytössä työkortteja.

Kyselylomake opettajalle

- Opettajaharjoittelijalta.

- Ohjaavalta opettajalta.

- Kokeneelta opettajalta.

Taulukko 3: Analyyseistä kokoava katsaus.

Datalähde Kuinka analysoitu Mitä analysoitu Tarkennus

Video - Minuutin tarkkuudella käsitteiden käyttö puheesta merkitty taulukkoon.

- Tärkeimmät dialogit litteroitu.

- Käsitteiden esiintyminen puheessa ajallisesti ja määrällisesti.

- Litteroidut puheet analysoitu käsitteiden oppimisen ongelmien mukaan.

- Litterointien tarkastelun rakenne seuraa lukua 3.5.

Audionauhurit - Vain tukena videon ääniraidalle.

- Vain tukena videon ääniraidalle.

Työkortit - Jokainen työkortin tehtävä lajiteltu yhteen kolmesta kategoriasta oppilaan täyttöjen mukaan:

oikein/vajaa tai väärin ymmärretty/tyhjä ja vastauksista on tarkasteltu käsitteiden oppimista.

- Vastauksia analysoitu käsitteiden oppimisen ongelmien mukaan.

Kyselylomake opettajalle

- Vastaukset tarkasteltu sanatarkasti.

- Vastaukset analysoitu käsitteiden oppimisen ongelmien mukaan.

Yksikäsitteisyys tarkastelun keskipisteenä.

6. Tulokset

6.1. Käsitteiden ajallinen ja määrällinen käyttö oppitunnilla

6.1.1. Ajallinen käsitteiden käyttö

Seuraavassa esitetään tuloksia opettajien käsitteiden käytöstä ja analyyseistä. Kuvissa 2 ja 3 on esitetty, miten opettaja on käyttänyt eri käsitteitä tunninkulun eri vaiheissa. Vaaka-akselilla on minuutit ja sen yllä on kuvaus tunnin tapahtumista.

Kuva 2: Kokeneen opettajan käsitteiden käyttö kaksoistunnilla.

Kuva 3: Opettajaharjoittelijan käsitteiden käyttö kaksoistunnilla (ei 90 minuuttinen tunti, koska juhlamenoja koulussa).

Kuvista 2 ja 3 voidaan huomata monia yhtäläisyyksiä ja monia eroavaisuuksia kokeneen opettajan ja harjoittelijan opetuksen välillä. Esimerkiksi kokeneen opettajan tunti on vaihtelevampi ja rakennetta on rikottu enemmän verrattuna harjoittelijan tunnin rakenteeseen. Kokeneen opettajan tunnin rakenne on

pohjustus (keskustelua) → oppilastyöt → läpikäynti → oppilastyöt → läpikäynti → teoria,

kun taas opettajaharjoittelijan rakenne on

pohjustus (kysymyksiä kuvista, teoriapohja) → oppilastyöt → läpikäynti → teorian täydentäminen.

Kokenut opettaja tekee esimerkiksi lisädemonstraation koko luokalle huomattuaan lämmön siirtymisen säteilemällä olevan hankala asia oppilaille, minkä hän huomasi tunnin pohjustuksessa.

Kuvasta 2 huomataan kaksi säteilyn käsittelyrypästä (noin minuuttien 34 ja 53 kohdalla) ennen lopun teoriapakettia, jossa varsinainen kyseisen fysiikan osa-alueen teoria käsitellään. Tällaiset lähestymistavat viittaavat luvun 3.4. kuvan 1 ja avaamis- sekä sulkemisvaiheen teorioiden

hallintaan käytännössä. Harjoittelija huomasi myös alussa säteilyn hankalaksi asiaksi, mutta ei tarttunut ongelmaan lopun teoriapakettia enempää.

Kuvista 2 ja 3 nähdään myös, että kokenut opettaja käyttää aluksi paljon tuttuja käsitteitä (lämpötila, lämpö ja energia) ja käyttää vasta lopun teoriassa energian siirtymisen käsitteille oikeita termejä. Opettajaharjoittelija käyttää heti kotitehtävien tarkastuksen jälkeen kohtalaisen tasaisesti kaikkia käsitteitä. Kokeneella opettajalla käsitteiden käyttö tunnilla ja niiden esittäminen oppilaille noudattaa enemmän konstruktivistista oppimiskäsitystä kuin opettajaharjoittelijalla.

Toisin sanoen kokenut opettaja lähtee arkielämästä ja aikaisemmin opetetuista käsitteistä liikkeelle ja sitä kautta tuo uudet käsitteet esille, kun taas opettajaharjoittelija lähes heti ensimmäisessä teoriaosuudessa esittää kaikki uudet käsitteet. Kuvaajista huomataan, että kokenut opettaja pyrkii pitämään uudet käsitteet poissa käytöstä, kunnes ne on käsitelty oppilastöissä.

Opettajaharjoittelijalla on aivan erilainen lähestymistapa, eli uudet käsitteet otetaan heti käyttöön ja sitten tarkastellaan ilmiöitä oppilastöiden avulla.

Näistä huomioista voidaan sanoa, että käsitteiden esille tuominen ja niiden ajallinen esiintyminen oppitunneilla tietyllä tavalla, voi olla osa käsitteenmuodostamisen prosessia sekä oppitunnin yksinkertaistamista. Tässä suhteessa kokeneen opettajan ja harjoittelijan opetuksien välillä on selvä ero. Harjoittelija liittää asioita arkipäivään, mutta se tapahtuu heti tunnin alussa ensimmäisten minuuttien aikana ja jää siihen. Kokenut opettaja käyttää koko tunnin uuden teorian rakentamiseen vanhan tiedon päälle liittäen ne arkeen ja oppilaiden ajatuksiin käyttämällä pääsääntöisesti jo opittuja käsitteitä. Kokenut opettaja siis hyödyntää lähikehityksen vyöhykkeitä (ZPD) ja avaa keskustelua (dialoginen avaus) sekä tarvittaessa selventää havaittuja ongelmakohtia (auktoritatiivinen sulkeminen), kuten myöhemmin litteroinneista huomataan. Opettajat käyttävät keskustelua ja oppilastöitä avaamisvaiheena ja oppilastöiden läpikäyntiä sulkemisvaiheena, mutta kokeneen opettajan sulkemisvaiheet ovat perusteellisempia.

6.1.2. Määrällinen käsitteiden käyttö

Seuraavassa esitetään opettajien käsitteiden määrällisen käytön tarkastelusta havaitut tulokset.

Kuvassa 4 on esitetty kunkin käsitteen esiintyminen opettajien opetuksessa prosentteina kaikista käsitteiden esiintymisistä. Vaaka-akselilla on käytetty käsite ja pystyakselilla käyttöprosentti.

Molempien opettajien pylväät (käsitteiden käyttö) ovat vierekkäin ja samassa kuvaajassa, jotta vertailu sekä tarkastelu ovat yksinkertaisempia.

Kuva 4: Painotukset käsitteiden käytölle prosentteina pylväskaaviona.

Ensimmäisenä pylväskaaviossa kiinnittyy huomio korkeimpiin pylväisiin. Opettajaharjoittelijalla korkeimmat pylväät eli eniten käytetyt käsitteet/sanat ovat lämpö sekä johtuminen ja kokeneella opettajalla lämpö sekä lämpötila. Havainto on mielenkiintoinen, koska teoriaosassa käsitellyissä tutkimuksissa lämpö ja lämpötila on havaittu hyvin paljon sekaannuksia tuottaviksi käsitteiksi.

Kokenut opettaja käyttää näitä sanoja hyvin paljon, tarkoituksenaan oletettavasti vältellä vieraiden käsitteiden käyttöä, jotta puhe olisi tarpeeksi yksinkertaista. Nämä sanat voivat kuitenkin olla harhaanjohtavia, sillä monesti puheessa lämpö on lämpötilan synonyymi. Myöhemmistä litteroinneista ja analyyseistä tosin huomataan, ettei kokenut opettaja sekoita sanoja.

Mielenkiintoista on myös se, että harjoittelijan eniten käyttämiin käsitteisiin kuului uusi käsite,

0 % 5 % 10 % 15 % 20 % 25 % 30 % 35 % 40 %

Opettajaharjoittelija Kokenut opettaja

johtuminen. Ehkäpä tähän on syynä hänen oma tiedostamaton oppimisprosessinsa: uusien sanojen runsas käyttö vahvistaa niiden osaamista, kuten vieraiden kielten opettelussa on tapana tehdä. Hyvä puoli on se, että hän ei käyttänyt enempää kuin yhtä uutta käsitettä, sillä käytettäessä liian montaa uutta ja vierasta käsitettä puheen yksinkertaisuus ja siten oppiminen voi kärsiä.

Aiheen ollessa lämmön siirtyminen tunti sisältää siihen liittyvät peruskäsitteet: johtuminen, kulkeutuminen/kuljetus ja säteily. Merkittävää on, että kaikista käytetyistä käsitteistä (lämpöoppiin liittyen) kyseisten kolmen käsitteen esiintyminen tunneilla vaihtelee merkittävästi kokeneen opettajan ja harjoittelijan välillä. Kokeneen opettajan käsitteiden käytöstä 23 % sisältää mainitut kolme käsitettä, kun taas harjoittelijalla vastaava luku on 43 %. Tämä vahvistaa sitä havaintoa, että kokenut opettaja pyrkii yksinkertaistamaan opetusta välttelemällä uusien käsitteiden käyttöä, kun taas harjoittelija käyttää niitä koko tunnin ajan tasaisesti.

6.2. Käsitteiden käyttö opettajien puheessa

Seuraavaksi syvennytään opettajien käsitteiden käyttöön tarkastelemalla litteroituja puheita ja keskusteluja opettajien opetuksista. Opettajaharjoittelijan ja kokeneen opettajan luokkahuonekeskustelut ovat omissa alaluvuissaan. Keskustelut on jaettu molemmilla opettajilla samoin, eli eri episodeihin ja vuoropuheet on numeroitu. Jokainen episodi sisältää vähintään yhden analyysiosion, jossa on tarkasteltu puheen yksikäsitteisyyttä, yksinkertaisuutta ja puheen dialogista avaamista sekä auktoritatiivista sulkemista.

6.2.1. Opettajaharjoittelijan luokkahuonekeskustelut

Episodi 1: Pohjustus ja teoriaa vihkoon

Kotitehtävien tarkistuksen jälkeen harjoittelija näyttää kuvia, joissa esiintyy kysymys: "Miten lämpö siirtyy?". Oppilaat keskustelevat asiasta keskenään, jonka jälkeen seuraa opettajan esittämä lyhyt tiedustelu ja selvennys siitä, miten kuvat liittyivät energian siirtymiseen.

1. Opettaja: ”Mitä te löysitte sieltä.”

2. Oppilas: ”No ainakin noi merivirrat"

3. Opettaja: ”Joo eli miten siinä lämpö siirtyy?

4. Oppilas: ”Tuulen mukana."

5. Opettaja: ”Vai veden mukana?

6. Oppilas: ”No tuulen, nii joo ei mitään"

7. Opettaja: ”No kyllä tuuletki iteasiassa kuljettaa niinku energiaa, oot ihan oikeessa siinä”

8. Opettaja: ”Sitten muita?”

9. Oppilas: ”No toi yks esittää jotain kahvikuppia niin sitten se on niinku kuuma se kahvi siinä niin ja siirtyy siitä sitten"

10. Opettaja: ”Joo, elikkä siinä tapahtuu siis johtumista”

Seuraavaksi opettaja kyselee hetken muista kuvista lämmönsiirtymistapoja, mutta oppilaat eivät halua vastata. Sitten opettaja päättää ottaa nuotiokuvan ja pohjustaa siinä tapahtuvaa lämmönsiirtymistapaa.

11. Opettaja: ”Te istutte notskin ääressä, niin miten, miltä tuntuu niinku, minkälainen fiilis siinä on, miltä tuntuu?”

12. Oppilas: ”Ai minkälainen fiilis siinä on? Lämmin."

13. Opettaja: ”Joo, miten sitä lämpöä siirtyy siinä tapauksessa?"

14. Oppilas: ”No siis sieltä, kun sitä poltetaan niin sitten tuli on lämmintä niin sitten se lämmittää sillein. Emmä tiedä miten se siirtyy, mä tiedän vaan, että se lämmittää"

15. Opettaja: ”Joo, se siirtyy säteilemällä siinä”

Sitten opettaja kertoo lyhyesti, millä tavalla lämpö siirtyy muiden kuvien esittämissä tilanteissa ja pohjustaa pikaisesti alustavalla dialla, jota opettaja myöhemmin täydentää teorialla.

16. Opettaja: ”Joo, no laitetaanpa muutama asia vihkoon, elikkä siis on kolme lämmönsiirtymistapaa olemassa. Lämpöä voi siis siirtyä johtumalla, esimerkiksi kahvikupista, jos otetaan kahvikupista kiinni, niin siirtyy kahvista käteen ja mukiin sitä lämpöä. Kuljetuksen kautta, esimerkiksi just ne merivirrat tai tuulet, sitten säteily, esimerkiksi auringonpaiste lämmittää aurinkoisella säällä.”

Analyysi

Yksikäsitteisyys: Puhe on yksikäsitteistä aloituksessa ja käsitteitä ei sekoiteta toisiinsa tai niistä ei puhuta väärin.

Yksinkertaisuus: Episodissa 1 johdatellaan ja tiedustellaan kaikkia lämmönsiirtymistapoja, joten käsitteitä on melko monta yhtä aikaa käsittelyssä. Yksinkertaisuus kuitenkin säilyy, koska kyseessä on päivän asioiden ja aiheen esittely.

Avaaminen ja sulkeminen: Aloituksessa on paljon potentiaalia, ja harjoittelija käyttää hyvin kuvia selvittääkseen uutta asiaa. Aluksi oppilaat itse löytävät kuvista kuljetuksen ja johtumisen, vaikka eivät tiedä edes käsitteitä vielä, mutta osaavat jotenkin selittää asiaa ja tietävät, että lämpöä siirtyy. Tämä kertoo siitä, että nuo kaksi energian siirtymistapaa ovat tuttuja heille. Kolmatta lämmön siirtymistapaa he eivät löydä ja opettaja ohjaa oppilaat nuotiokuvaan. Eräs oppilas yrittää selittää ideaa kuvasta, mutta toteaa kuitenkin: "Emmä tiedä miten se siirtyy, mä tiedän vaan, että se lämmittää". Näin harjoittelija sai selville, että säteily on oppilaille hieman hankalaa johtaa arjen asioista. Tämä on selkeä "opening up" -vaihe ja kehittymispotentiaalia (ZPD) omaava kohta.

Episodi 2: Oppilastöiden aikana keskusteltua:

Ryhmän 1 ja opettajan keskustelu:

1. Opettaja: ”Koska te pohjaa lämmititte, sitten sieltä huomasitte että myös pinta lämpenee, pintavesi lämpenee ja liikkuu vettä pinnalle, elikkä väriaineen liike, Todistitte, että siellä siirtyy ainetta"

2. Oppilaat: ”ja lämpöä.”

3. Opettaja: ” ja lämpöä, hyvä, siinä on se pointti, pistäkää ylös”

Analyysi

Yksikäsitteisyys: Puhuessaan oppilaille kuljetuksesta, opettaja esittää asiat hyvin ja hän hallitsee käsitteet.

Yksinkertaisuus: Lyhyt yksinkertainen johdattelu.

Avaaminen ja sulkeminen: Oppilaat ovat hyvin mukana ja vaikuttaa siltä, että kuljetus on vaivaton ymmärtää pienellä johdatuksella. Tämä on pienimuotoinen kehittymiskohta, jossa ymmärrystä vahvistetaan. (Opettajan täyttämässä lomakkeessa hänen omia pohdintoja tästä.)

Ryhmän 2 ja opettajan keskustelu:

1. Oppilas: ”Ai siirtyy, onks se lämpö ainetta?”

2. Opettaja: ”Onko se ainetta?”

3. Oppilas: ”Eihän se ole sellasta ainetta.”

4. Opettaja: ”Tiedättekö te mitä lämpö on”

5. Oppilaat: ”Hehe, ei.”

6. Opettaja: ”Elikkä esimerkiksi jos just se tämä näin rautatanko, tämä on alussa viileä, siellä liikkuu ne, tiedätteko te mitä on atomit?”

7. Oppilaat: ”Hmm, joo.”

8. Opettaja: ”Ne liikkuu sillei hitaasti, sittenku te lämmitätte sitä niin ne alkaa liikumaan kovempaa, elikkä lämpö on siis liikettä elikkä aineen osaset liikkuu nopeampaa ja silloin se lämpötila kohoaa”

9. Oppilaat: ”Mutta lämpö ei ole ainetta?”

10. Opettaja: ”Lämpöhän on energiaa”

11. Oppilaat: ”Niin joo, mutta se ei ole ainetta”

12. Opettaja: ”Joo ei ole ainetta”

13. Oppilaat: ” Niin.”

14. Oppilaat: ”Mutta siis onko se nyt siis, ei siirry”

15. Opettaja: ”Ei siirry ainetta vaan siirtyy?”

16. Oppilaat: ”Ei siirry ainetta vaan lämpöä, energiaa”

Analyysi

Yksikäsitteisyys: Eri materiaaleista valmistettujen tankojen lämmitystyön yhteydessä oppilailla on huomattavasti epäselvyyksiä käsitteiden kanssa. Heille on aluksi epäselvää, miten lämpö siirtyy johtumalla, mutta he tajuavat ettei lämpö ole ainakaan tavallista ainetta. Seuraavaksi opettaja kertoo, että lämpö ei ole ainetta vaan, että lämpö on rakenneosasten liikettä. Nyt lämpö voidaan sekoittaa sisäenergiaan, koska se rinnastettiin rakenneosasten kineettiseen energiaan, joka kuuluu sisäenergiaan. Toisaalta tässä tapauksessa hän voi tarkoittaa myös lämpötilaa sanalla lämpö. Joka tapauksessa tämän tyyliset sanonnat, kuten teoriaosassa käsiteltiin, voivat johtaa virhekäsityksiin.

Seuraavaksi oppilaat vielä kyselevät, josko lämpö olisi jotain ainetta, mutta opettaja selventää hyvin lämmön olevan energiaa ja johdattaa/ohjaa oppilaat sanomaan hienon lauseen, "Ei siirry ainetta vaan lämpöä, energiaa"

Yksinkertaisuus: Käsitteiden määrä on sopiva ja opettaja osaa hyvin olla käyttämättä ylimääräisiä käsitteitä, kuten kineettinen energia, sisäenergia tai muuta vastaavaa. Lämpö sanan liittäminen rakenneosasten liikkeeseen kuitenkin erittäin hämäävää.

Avaaminen ja sulkeminen: Tässä keskustelussa tulevat periaatteessa kaikki kuvan 1 erilliset vaiheet ja selkeä "opening up" ja "closing down". Oppilaat siis tekivät työtä ja havaintoja, opettaja tulee selvittämään hankaluudet (opening up, ZPD) ja selventää oppilaille fysiikan teorian tilanteesta johdattelemalla, sekä saakin oppilaat sanomaan täysin oikeilla sanoilla loppulausahduksen (vuoropuhe 16, closing down), jota ei tarvitse auktoritatiivisesti korjata.

Episodi 3: Oppilastöiden esittely luokan edessä, oppilastöiden 1-4 esittely sekä opettajan kommentit (työkorttien analyysi on tältä osalta omassa luvussaan)

Työ 1: Kuljetus, aineen liike havaitaan väriaineen liikkeenä vedessä.

1. Oppilaat: ”No se vesi tai se väriaine värjäs lilanväriseksi, se ku se liikku se väriaine myöskin ja havaittiin, että se, se aine siirtyy sinne yläpuolelle ja se sit lämpenee”

2. Opettaja: ”Eli tonne laitettiin keitinlasiin kide, josta lähti sitten ku tota alettiin lämmittämään keitinlasia kiteen alta, niin lähti väriaine liikkumaan tonne muuhun lasiin, ja sitten havaittiin, että kun tällä lämpömittarilla mitataan tota pintaveden lämpötilaa, niin se

kohos se pintaveden lämpötila. (Epäselvä kohta)… väriaineen liikkeestä nähään, että aine liikkuu ja sitten huomattiin, että lämpötila kohoaa siellä lasin yläosassa.”

Analyysi

Yksikäsitteisyys: Oppilaat selvästi eivät uskalla käyttää käsitteitä. Opettajan puhe on yksikäsitteistä, mutta esittää epäselvän virkkeen (2. vuoropuhe).

Yksinkertaisuus: Yksinkertaisuus on ilmeisesti ollut opettajalla tässä tavoitteena, sillä käsitteenä käytössä vain lämpötila. Kuitenkin epäselvästi muotoiltu virke haittaa selkeyttä ja yksinkertaisuutta. Parempi tapa olisi kertoa lyhyesti väriainekiteen tarkoitus, havainnot ja johtopäätökset. Oppilaiden selostus on hieman vajaa, mutta vaikuttaa siltä, että he ymmärsivät asian pääidean. Opettajan selostus kertaa työn hyvin, mutta hän ei mainitse sitä, että lämmön siirtymistapa on kuljetus. Se kuitenkin näkyy työkortissa oikein, samoin valkokankaalla.

Avaaminen ja sulkeminen: Opettaja täydentää ja kertaa auktoritatiivisesti oppilaiden vastausta eli

"closing down" vaihe. Periaatteessa oppilaiden selostukset voi ajatella "opening up" vaiheena, sillä niistä opettaja näkee puutteet ja vahvuudet, joita hän voi muokata välittömästi.

Työ 2: Tankojen lämmitystyö

3. Oppilaat: ”Meillä oli lasi ja kuparitanko ja sitten me lämmitettiin niitä sillein, että pidettiin niitä 10cm etäisyydeltä kiinni ja laitettiin ne tankojen päät sinne liekkiin ja sit katottiin kuumeneeko … niin ja sitten toi kuparitanko lämpeni aika paljonki tai niinku se tuntu ihan siinä ja sitten se toi toine ei lämmenny ollenkaa, olikse lasia, niin se ei lämmenny ollenkaa.

Niin ei siirtynyt tota mitään ainetta, mutta siirtyi lämpöä … toi johtuminen toi sen siirtymistapa.”

4. Opettaja: ”Joo elikkä lämpöenergiansiirtymistapa on johtuminen ja sitten tämä kyseinen metallitanko teidän tapauksessa kuparitanko, niin se johtaa paremmin lämpöä.”

Analyysi

Yksikäsitteisyys: Oppilaat hyvin selostivat työn kulun ja kertoivat oleellisimmat asiat käsitteiden osalta yksikäsitteisesti. Opettaja käyttää sanaa "lämpöenergiansiirtymistapa", joka on usein käytetty harhaanjohtava ilmaisu.